WO2019123725A1 - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、電磁駆動部において磁気回路を構成する部材の少なくとも一部が、質量％で、０．１５％≦Ｎｉ≦０．４５％、０．６５％≦Ａｌ≦１．０％、９．２％≦Ｃｒ≦１０．３％、０．９０％≦Ｍｏ≦１．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる合金材料よりなる、燃料系に使用される電磁弁が提供される。上記合金材料は、さらに、質量％で、０．０５％≦Ｐｂ≦０．１５％を含有してもよい。

Description

電磁弁

　本発明は、電磁弁、さらに詳しくは、電磁駆動部において磁気回路を構成する部材が軟磁性材料よりなり、燃料系に使用される電磁弁に関する。

　ガソリンエンジンの燃焼室に燃料を噴射するのに、電磁駆動式の燃料噴射弁が用いられる。この種の燃料噴射弁の電磁駆動部において、コアやハウジング等、磁気回路を構成する部材に用いられる材料として、耐食性が高く、軟磁性を示す電磁ステンレス鋼が広く用いられている。そのような電磁ステンレス鋼を用いた燃料噴射弁が、例えば、特許文献１に開示されている。

日本国特開平１－２９０７４９号公報

　近年、ガソリンエンジンの燃料噴射弁においては、ＣＯ_２排出量の削減、省エネルギー化、燃費向上等の観点から、高圧力噴射化や多段噴射化が進められつつある。電磁弁において、高圧力噴射化を達成するには、磁気回路を構成する材料において、高磁束密度化が要求される。高圧力噴射を行うためには、電磁弁の開閉制御に大きな磁気吸引力が必要となるが、磁気回路を構成する材料が、高い飽和磁束密度を有するほど、高磁界での電磁駆動部の運転に追随し、大きな磁気吸引力を発生することができる。また、多段噴射を効率良く行うためには、電磁駆動部に高い応答性が求められる。磁気回路を構成する材料が高い電気抵抗を有するほど、電磁駆動部の応答性を高めることができる。このように、燃料系に使用される電磁弁の磁気回路を構成する材料においては、高い耐食性に加え、高い飽和磁束密度と電気抵抗を有することが求められるようになっている。

　飽和磁束密度としては、例えば１．８Ｔ以上の高い値を有することが望まれる。しかし、特許文献１に開示されているような、従来の電磁ステンレス鋼を用いて、そのように高い飽和磁束密度を達成することは難しい。

　本発明が解決しようとする課題は、耐食性に優れ、かつ、高い飽和磁束密度と高い電気抵抗を有する合金材料よりなる磁気回路を電磁駆動部に備えた、燃料系に使用される電磁弁を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明にかかる電磁弁は、電磁駆動部において磁気回路を構成する部材の少なくとも一部が、質量％で、０．１５％≦Ｎｉ≦０．４５％、０．６５％≦Ａｌ≦１．０％、９．２％≦Ｃｒ≦１０．３％、０．９０％≦Ｍｏ≦１．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる合金材料よりなっている、燃料系に使用される電磁弁である。

　ここで、前記電磁弁は、燃料噴射弁であるとよい。

　前記合金材料は、さらに、質量％で、０．０５％≦Ｐｂ≦０．１５％を含有するとよい。

　前記合金材料の組織は、α相単相よりなるとよい。

　本発明にかかる電磁弁は、電磁駆動部の磁気回路が、上記のような成分組成を有する合金材料よりなっている。この合金材料は、成分組成の効果により、高い耐食性に加え、高い飽和磁束密度と電気抵抗を有する。その結果、電磁弁において、高磁気吸引力による高圧噴射化、および応答性向上による多段噴射化を行いやすくなる。

　ここで、電磁弁が、燃料噴射弁である場合には、高耐食性と、高磁気吸引力による高圧噴射化、および応答性向上による多段噴射化の効果を、特に有効に利用することができる。

　合金材料が、さらに、質量％で、０．０５％≦Ｐｂ≦０．１５％を含有する場合には、合金材料の切削性が向上し、電磁弁において、磁気回路を構成する部材の加工が行いやすくなる。

　合金材料の組織が、α相単相よりなる場合には、合金材料において、低保磁力を確保し、優れた軟磁気特性を得やすくなる。その結果、電磁弁の応答性を高めやすくなる。

本発明の一実施形態にかかる燃料噴射弁の構成の概略を示す断面図である。 磁場解析の結果を示す図である。

　本発明の実施例にかかる電磁弁は、燃料系に使用される電磁弁であり、具体的な電磁弁の形態としては、燃料噴射弁を例示することができる。以下に、本発明の実施形態にかかる電磁弁の一例として、燃料噴射弁ついて、詳細に説明する。

［燃料噴射弁の構造］
　本発明の一実施形態にかかる燃料噴射弁（インジェクタ）は、電磁駆動部によって駆動され、エンジン、特にガソリンエンジンの燃焼室内に燃料を噴射するものである。本実施形態にかかる燃料噴射弁においては、電磁駆動部において磁気回路を構成する各種部材の少なくとも一部が、特定の合金材料によって構成されている。燃料噴射弁の具体的な構造は、特に指定されるものではないが、特開２０１７－８９４２５号公報に開示される燃料噴射装置の構造を、好適なものとして例示することができる。構造の詳細については、上記特許公報を参照することができるが、以下に構造を簡単に説明する。

　図１に、燃料噴射弁１の概略断面構造を示す。なお、図１は、特開２０１７－８９４２５号公報に図１として掲載されているのと同様のものである。

　燃料噴射弁１は、ノズル１０、ハウジング２０、ニードル３０、可動コア４０、固定コア５０、スプリング５３，５５、コイル５４等を備えている。

　ノズル１０は、ノズル筒部１１と、ノズル筒部１１の一端を塞ぐノズル底部１２とを有する。ノズル底部１２には、噴孔が複数形成されており、噴孔の周囲に環状の弁座１４が形成されている。ハウジング２０は、第１筒部２１、第２筒部２２、第３筒部２３を有しており、この順に相互に接続されている。第１筒部２１と第３筒部２３は磁性材料より形成され、第２筒部２２は非磁性材料より形成されている。第１筒部２１は、先端側において、ノズル筒部１１に接続されている。また、第３筒部２３には、インレット部２４が接続されている。ハウジング２０およびノズル筒部１１の内側には燃料通路１００が設けられている。インレット部２４に燃料を供給すると、燃料通路１００に燃料が流入する。

　ニードル３０は、燃料通路１００内をハウジング２０の軸に沿って往復運動可能なように、ハウジング２０内に収容されている。ニードル３０のニードル本体３１の先端側に設けられたシール部３２が、ノズル１０の弁座１４に対して離間または当接することで、ノズル底部１２に設けられた噴孔が開閉される。

　可動コア４０は、磁性材料よりなる可動コア本体４１を有し、可動コア本体４１に設けられた軸穴部４２にニードル本体３１が挿通された状態で、ハウジング２０内に収容されている。可動コア２０は、ニードル３０と同様、燃料通路１００内をハウジング２０の軸方向に沿って往復移動可能となっている。

　固定コア５０は、ハウジング２０の内側において、可動コア４０に対し、弁座１４と反対側に設けられている。固定コア本体５１は、磁性材料よりなり、ハウジング２０の第３筒部２３およびインレット部２４と一体に形成されている。

　スプリング５３は、ニードル３０および可動コア４０を、弁座１４側に付勢可能となっている。スプリング５５は、スプリング５３よりも弱い付勢力で、可動コア４０を固定コア５０側に付勢可能となっている。コイル５４は、ハウジング２０の径方向外側に設けられており、通電されると、磁力を生じる。

　コイル５４に通電し、磁力が生じると、固定コア本体５１、可動コア本体４１、第１筒部２１、第３筒部２３等の磁性材料よりなる部材に、磁気回路が形成される。これにより、固定コア本体５１と可動コア本体４１との間に磁気吸引力が発生し、可動コア４０が、固定コア５０側に吸引される。この時、ニードル３０が、可動コア４０とともに開弁方向に移動し、シール部３２が弁座４１から離間し、開弁する。その結果、ノズル底部１２に設けられた噴孔が開放され、噴孔から燃料が噴射される。

　上記燃料噴射弁１において、コイル５４に通電した際に磁気回路を構成する各部材の少なくとも一部が、下記で詳細に説明する特定の合金材料よりなっている。磁気回路を構成する各部材の全てが下記特定の合金材料よりなることが好ましいが、その一部が他の軟磁性材料よりなってもよい。特に、少なくとも、第１筒部２１、可動コア本体４１、そして相互に一体に形成された第３筒部２３、インレット部２４、固定コア本体５１が、下記特定の合金材料よりなることが好ましい。なお、可動コア４０とニードル３０とが相対移動可能なものにおいて、コイル５４が通電され、可動コア４０が固定コア本体５１に吸引される際に、可動コア４０が所定量開弁方向に移動した状態において、可動コア４０とニードル３０とが衝突する燃料噴射弁に、下記特定の合金材料が適用されると、より好ましい。また、可動コア４０とコイル５４とがそれぞれ複数設けられる燃料噴射弁に、下記特定の合金材料が適用されると、好ましい。

［磁気回路を構成する合金材料］
　次に、上記実施形態にかかる燃料噴射弁１において、磁気回路を構成する部材の少なくとも一部に用いられる特定の合金材料について、説明する。

　本合金材料は、質量％を単位として、以下の成分元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。
・０．１５％≦Ｎｉ≦０．４５％
・０．６５％≦Ａｌ≦１．０％
・９．２％≦Ｃｒ≦１０．３％
・０．９０％≦Ｍｏ≦１．６％

　本合金材料は、上記成分組成を有していることにより、軟磁気特性を示す。特に、ＮｉとＡｌの両方を、上記範囲で含有することで、保磁力を低く維持しながら、高い飽和磁束密度を有する軟磁性材料となっている。

　Ｎｉを添加することで、合金材料の飽和磁束密度が高くなる。しかし、Ｎｉの添加量を多くしすぎても、かえって飽和磁束密度の低下を招くことになる。Ｎｉの含有量を上記の範囲としておくことで、合金材料の飽和磁束密度を効果的に高めることができる。

　一方、合金材料にＮｉだけを添加するとすれば、結晶組織が、α相＋γ相や、マルテンサイト相になり、保磁力が大きくなりやすい。そこで、Ｎｉと併せてＡｌを添加することで、軟磁性を示すα相単相の生成を促進して低保磁力を確保し、優れた軟磁気特性を得ることができる。合金材料が低保磁力を有することで、電磁弁の応答性を高めやすくなる。Ａｌの含有量を上記範囲としておくことで、そのような効果を十分に得ることができる。なお、「α相単相」には、γ相等、α相以外の相が、不可避的に少量含有される状態も含むものとする。概ね、α相の占有率が９５体積％以上である状態を、「α相単相」とみなすことができる。

　ＣｒおよびＭｏは、合金材料の耐食性と電気抵抗を高める効果を有する。ＣｒおよびＭｏの含有量が多いほど、それらの特性、特に耐食性を高める効果に優れるが、過剰に含有させると、合金材料の飽和磁束密度が低下してしまう。そこで、高飽和磁束密度と両立して、高耐食性および高電気抵抗を達成する観点から、ＣｒおよびＭｏの含有量は、上記範囲に設定されている。

　特にＭｏは、Ｃｒに比べて少量の添加でも、耐食性向上および高電気抵抗化において高い効果を発揮する。そこで、Ｃｒの過剰添加による飽和磁束密度の低下を回避する観点から、Ｃｒだけでなく、Ｍｏを併用して添加している。

　本合金材料は、必須の添加元素であるＮｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏに加えて、必要に応じて、任意元素として、０．０５質量％≦Ｐｂ≦０．１５質量％を含有してもよい。

　Ｐｂは、合金の切削性を向上させることができる元素である。上記範囲の含有量でＰｂを添加することにより、切削性向上の効果を十分に得ることができる。合金材料が高い切削性を有することで、燃料噴射弁１の磁気回路を構成する各種部材について、必要な形状への加工を行いやすくなる。

　本合金材料においては、磁気特性および耐食性を損なわない範囲において、不可避的不純物の含有が許容される。具体的な不可避的不純物の例としては、質量％を単位として、Ｃ≦０．０１５％、Ｍｎ≦０．３％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．０２％、Ｎ≦０．０６％、Ｃｕ≦０．３％、Ｃｏ≦０．０６％、Ｏ≦０．０１％を挙げることができる。

　本合金材料は、以上に説明した成分組成を有することにより、優れた軟磁気特性を示す。例えば、外部磁場Ｈ＝３００００Ａ／ｍで測定した磁束密度の値であるＢ３００００を、１．８Ｔ以上とすることができる（Ｂ３００００≧１．８Ｔ）。ここで、Ｂ３００００は、この種の軟磁性合金において、飽和磁束密度に近似することができる値である。また、本合金材料においては、低保磁力を確保しやすい。例えば１０００Ａ／ｍ以下のような低保磁力を得ることができる。

　さらに、本合金材料は、高い電気抵抗を有する。例えば、電気抵抗率ρとして、ρ≧６５μΩｃｍの高い値を達成することができる。

　さらに、本合金材料は、高い耐食性を有する。本合金材料の耐食性は、種々の腐食物質に対して発揮され、ガソリンに対しても高い耐食性を有する。

　本合金材料は、上記各成分金属を溶製し、適宜、圧延、鍛造等を行うことによって製造し、燃料噴射弁１の磁気回路を構成する部材として所定の形状に成形することができる。合金材料には、磁気焼鈍等の熱処理を適宜行ってもよい。磁気焼鈍時の温度としては、８００～１２００℃を例示することができる。

［合金材料の特性と燃料噴射弁の動作］
　燃料噴射弁１において、可動コア本体４１や固定コア本体５１等、磁気回路を構成する部材を、上記の特定の成分組成を有する合金材料より形成することで、燃料噴射弁１において、優れた動作特性を得ることが可能となる。

　まず、燃料噴射弁１の磁気回路を構成する部材は、ガソリンをはじめとする燃料と接触する部材であり、しかも高温に晒される。しかし、上記合金材料が高い耐食性を有することにより、それらの部材を、ガソリンによる腐食から保護することができる。

　そして、上記合金材料が、高い飽和磁束密度を有する優れた軟磁気特性と、高い電気抵抗を示すことで、燃料噴射弁１の高圧力噴射化および多段噴射化に、好適に対応することができる。

　燃料噴射弁１における燃料噴射の圧力を高めると、燃料噴射弁１の開閉制御に大きな力を要することになる。つまり、固定コア本体５１と可動コア本体４１との間の磁気吸引力を大きくする必要がある。そのためには、コイル５４に流す電流を大きくし、高磁界を発生させることになる。この際、磁気回路を構成する部材が高飽和磁束密度を有する材料よりなっていれば、磁束密度が飽和傾向を示しにくく、高磁界に追随することが可能になる。このように、主に上記合金材料が高飽和磁束密度を有することの結果として、燃料噴射弁１において高圧力噴射を達成しやすくなる。例えば、３０ＭＰａにおいて使用される電磁弁に適用できる。

　また、燃料噴射弁１によって多段噴射を行うにあたり、多段の噴射を効率よく行うためには、ニードル３０の開閉制御を高精度に行う必要があり、高い応答性を有することが求められる。コイル５４に入力する制御信号の波形に対して、磁気回路における磁束の変化を、高い応答性をもって追随させることで、燃料噴射弁１において高い応答性を達成することができる。磁気回路を構成する部材が高電気抵抗を有する材料よりなっていれば、渦電流損失が小さくなることにより、コイル５４への入力信号に対する磁束密度変化の応答性が高くなる。このように、主に上記合金材料が高電気抵抗を有することの結果として、燃料噴射弁１において多段噴射を行いやすくなる。さらに、上記のように高圧力噴射化した条件においても、高い応答性が得られることが望ましい。燃料噴射弁１の応答性は、例えば、パルス電流によって開閉制御する際の、ニードル３０の開閉状態の立ち上がり時間（Ｔｏ）や立ち下がり時間（Ｔｃ）として評価することができる。あるいは、燃料の最大噴射量と最小噴射量の差として規定されるダイナミックレンジによって評価することができる。ここで、燃料の噴射量は、燃料噴射弁１が実際に開状態となっている時間の長さに依存し、燃料噴射弁１の応答性が高いほど、ダイナミックレンジを大きくすることができる。

　燃料噴射弁１において、高圧力噴射化および多段噴射化を行うことで、エンジンにおけるＣＯ_２排出量の削減および省エネルギー化、車両の燃費向上等に資することができる。

　以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。

［合金材料の特性評価］
＜試料の調製＞
　実施例１，２および比較例１～５にかかる試料として、表１に示す成分組成（単位：質量％）を有する合金材料をそれぞれ作製した。いずれの成分組成においても、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。具体的な製造方法としては、各組成比を有する金属材料を真空誘導炉で溶製し、鋳造、熱間鍛造した。そして、下記各試験に用いる測定試験片の形状に加工し、真空中で、８５０℃×２時間の磁気焼鈍を行った。

＜磁束密度の測定＞
　各合金材料を、外径φ２８ｍｍ、内径φ２０ｍｍ、厚さｔ３ｍｍの円筒状に加工し、磁気リング（鉄心）とした。この磁気リングを用いて、一次コイル（４８０ターン）と二次コイル（２０ターン）を形成し、測定試料とした。そして、磁気計測機器（電子磁気工業製「ＢＨ－１０００」）を用いて、磁束密度を計測した。磁束密度の計測は、一次コイルに電流を流して磁気リングに磁界Ｈを発生させ、二次コイルに誘起した電圧の積分値に基づいて、磁気リングに発生した磁束密度を算出することで行った。計測においては、磁界Ｈを３００００Ａ／ｍとし、その時の磁束密度の値であるＢ３００００を記録した。

＜電気抵抗率の測定＞
　各合金材料を、断面１０ｍｍ四方、長さ３０ｍｍの角柱状に加工し、電気抵抗率を測定した。測定は、四端子法にて行った。

＜耐食性の評価＞
　各合金材料に対して、ガソリンに対する耐食性を評価した。具体的には、各合金材料を、８０℃で３３６時間にわたり、ガソリン組成物に浸漬した。その後、合金材料の表面を目視観察し、腐食の程度を評価した。評価基準としては、各合金材料の試料（φ５０ｍｍ×ｔ２０ｍｍ）に関し、錆の発生による変色部分の面積率が５０％以下である場合を、合格「○」とし、これよりも変色部分の面積率が大きい場合を、不合格「×」とした。

＜合金材料の組織の評価＞
　磁気焼鈍後の各合金材料に関し、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて、組織観察を行い、組織の状態を評価した。

［燃料噴射弁における特性の評価］
＜燃料噴射弁の作製＞
　上記で調製した実施例２および比較例５の各合金材料を用いて、ガソリンエンジン用燃料噴射弁を作製した。この際、燃料噴射弁全体の構造は、図１に示したものとし、第１筒部および可動コア本体、相互に一体に形成された第３筒部、インレット部、固定コア本体を、上記各合金材料を用いて構成した。

＜磁場解析＞
　実施例２および比較例５の各合金材料を用いた噴射弁に対して、磁場解析を行い、同一の電流パターンを与えた際に発生する吸引力の時間変化を、解析した。

　［評価結果］
　表１に、実施例１，２および比較例１～５にかかる合金材料について、成分組成と、合金材料の特性評価の結果を示す。なお、比較例５の成分組成は、特許文献１に開示されている成分組成と類似したものである。

　実施例１，２にかかる合金材料は、上記本発明の実施形態に規定された成分組成を有していることと対応して、Ｂ３００００≧１．８Ｔの高い磁束密度と、ρ≧６５μΩｃｍの高い電気抵抗率とを有している。また、結晶組織がα相単相よりなっている。一方、各比較例にかかる合金材料は、上記本発明の実施形態に規定された成分組成から外れていることと対応して、Ｂ３００００≧１．８Ｔの磁束密度と、ρ≧６５μΩｃｍの電気抵抗率の少なくとも一方を有していない。さらに、比較例３においては、Ｃｒの含有量が少ないことにより、耐食性も低くなっている。また、比較例４においては、Ａｌの含有量が少ないことにより、結晶組織において、α相単相ではなく、α相＋γ相の混相が形成されている。

　さらに、図２に、磁場解析の結果を示す。実施例２の材料を用いた場合の方が、比較例５の材料を用いた場合よりも、必要な吸引力に達するまでの時間が短くなっていることが分かる。例えば、吸引力３０ＭＰａに達するまでの時間を比較すると、実施例２の場合（時間ｔ１）の方が、比較例５の場合（時間ｔ２）よりも、１７％短くなっている。このように、本発明の実施形態にかかる合金材料を用いて電磁弁を形成する場合には、上記のように、高い飽和磁束密度および高い電気抵抗率を有することと対応して、電磁弁の吸引力と応答性を高めることができる。あるいは、吸引力や応答性に余裕がある場合には、印加する電流を下げることで、消費エネルギーを下げることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は、これらの実施形態に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。

　本発明にかかる電磁弁は、高い耐食性に加え、高い飽和磁束密度と電気抵抗を有する。その結果、電磁弁において、高磁気吸引力による高圧噴射化、および応答性向上による多段噴射化を行いやすくなる。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１７年１２月２２日出願の日本特許出願（特願２０１７－２４５９９９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１　　　　　燃料噴射弁
１０　　　　ノズル
１１　　　　ノズル筒部
１２　　　　ノズル底部
１４　　　　弁座
２０　　　　ハウジング
２１　　　　第１筒部
２２　　　　第２筒部
２３　　　　第３筒部
２４　　　　インレット部
３０　　　　ニードル
３１　　　　ニードル本体
３２　　　　シール部
４０　　　　可動コア
４１　　　　可動コア本体
５０　　　　固定コア
５３，５５　スプリング
５４　　　　コイル
 

Claims (4)

1. 　電磁駆動部において磁気回路を構成する部材の少なくとも一部が、
   　質量％で、
   　０．１５％≦Ｎｉ≦０．４５％、
   　０．６５％≦Ａｌ≦１．０％、
   　９．２％≦Ｃｒ≦１０．３％、
   　０．９０％≦Ｍｏ≦１．６％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる合金材料よりなっていることを特徴とする燃料系に使用される電磁弁。
2. 　燃料噴射弁であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 　前記合金材料は、さらに、質量％で、０．０５％≦Ｐｂ≦０．１５％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁弁。
4. 　前記合金材料の組織は、α相単相よりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁弁。
    

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